ZnS合成方法参考

本科毕业论文（设计）题 目 气相法合成ZnS纳米结构的研究

学 院 物理科学与技术学院 专 业 物理学

年 级 2006

学 号 222006315011019

姓 名 李 云 华

指 导 教 师 赵建伟 副教授

成 绩

2010 年4月30日

目录

摘要 (3)

Abstract (3)

一、引言

1 纳米材料概述 (3)

2 ZnS的物相结构 (5)

3 ZnS的性质与应用 (5)

4 制备方法 (7)

二、实验过程 (8)

三、实验结果与分析 (10)

四、实验结论 (12)

五、参考文献 (12)

六、致谢 (14)

气相法合成ZnS纳米结构的研究

李云华

西南大学物理科学与技术学院 重庆 400715

摘要：本论文主要对化学气相沉积过程中ZnS一维纳米结构的生长进行了研究。具体过程是采用单晶Si片为衬底，以Au做催化剂，ZnS粉末为原料，利用气相沉积的方法，通过调控硫化锌的适宜的生长条件，在陶瓷舟中获得硫化锌纳米结构：硫化锌纳米线。在实验的基础上，合理解释了硫化锌纳米结构的生长机理。

关键词：气相沉积；ZnS纳米结构；纳米线

Synthesis of ZnS Nanostructures by Vapor Deposition Method

LI Yunhua

School of Physical Science and Technology,Southwest University, Chongqing 400715, China

Abstract: I n this thesis, We mainly researched the growth of ZnS one-dimensional nanostructure in the chemical vapor deposition process. That is: single-crystal Si was used as substrate, with a Au film as catalyst, ZnS powder as source materials. The method of vapor deposition was used to synthesis ZnS nanostructures. Finally，ZnS one-dimension nanostructures were obtained. On the base of experiment, a reasonable explanation was given to show the growth mechanism of the ZnS nanostructure.

Key word:Vapor deposition; ZnS nanostructures; nanowires

一、 引言

1、纳米材料概述

材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可见材料的发展对人类社会的影响——没有材料就是没有发展。当今新材料的发展方向：高性能化、高功能化、高智能化、复合化、极限化、仿生化、环境友好化，发展新兴高性能的半导体材料是当前社会工业化进程的迫切需求。

人们已经发现纳米材料具有常规材料所不具有的优异特性，对传统工业和常规产品会产生重要的影响，日本、美国和西欧都相继把实验室的成果转化为规模生产，据不完全统计，国际上已有20多个纳米材料公司经营粉体生产线，其中陶瓷纳米粉体对常规陶瓷和高技术陶瓷的改性、纳米功能涂层的制备技术和涂层工艺、纳米添加功能油漆涂料的研究、纳米添加塑料改性以及纳米材料在环保、能源、医药等领域的应用，磨料、釉料以及纸张和纤维填料的纳米化研究也相继展开。纳米材料及其相关的产品从1994年开始已陆续进入市场，所创造的经济效益以20％速度增长。

那么，什么是纳米材料呢？

纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由他们作为基本单元构成的材料。按维数来分，纳米材料的基本单元可以分为三类： (1)零维，指三维空间尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒，原子团簇等；(2)一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝，纳米棒、纳米管等；(3)二维，是指在三维空间中只有一维处于纳米尺度，如超薄膜，多层膜，超晶格等。

纳米材料从根本上改变了材料的结构。由于纳米材料尺寸小，可以与电子的德布罗意波长、超导相干波长及激子的波尔半径相比拟，电子被局限于一个体积十分微小的空间，电子波函数受到限制，从而导致纳米材料具有新奇的光、电、磁等性能和物理效应，如量尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面与界面效应等。已有研究结构表明，当微粒尺寸在一维、二维或三维尺度上小于电子传输的自由程时，它们的许多性能（电学、力学、光学和化学性能等）会出现巨大的变化和增强。纳米材料科学的发展为人们分析微观尺度下出现的一些新的物理现象，如纳米尺寸结构的光吸收、发光以及与低微相关的量子尺寸限域效应等进行深入研究提供了物质基础。同时纳米材料中涉及到的许多过程和新奇现象，很难用传统的物理、化学理论进行解释。从某种意义上说，纳米材料势必把物理、化学领域的许多学科推向一个新的层次，也会使二十一世纪物理、化学研究带来新机遇。

金属硫化物具有优良的电性能 ,广泛的应用于半导体、颜料、光致发光装置、太阳能电池、红外检测器、光纤维通讯等;其中 ZnS 是 II - VI 族化合物中被广泛研究和应用的材料之一。

2、ZnS的物相结构

ZnS是白色粉末状固体,有两种变形体[1]:高温变体α- ZnS 和低温变体β- ZnS。α- ZnS 又称纤锌矿,属六方晶系,晶胞参数ao = 0. 384nm ,co = 0.5180nm ,z = 2 ,α- ZnS 的晶体结构可以看作是 S2-作六方最紧密堆积,而 Zn2+只占有其中 1/2 的四面体空隙。β- ZnS 又称闪锌矿,晶体结构为面心立方,晶胞参数a =0.5406nm ,z =4。自然界中稳定存在的是β- ZnS,在1020 ℃闪锌矿转变成由闪锌矿的多晶相构成的纤锌矿[2] ,在低温下很难得到α-ZnS,有文献报道[3]在 200～500 ℃,真空下热分解ZnS(NH2CH2CH2NH2)0.5有机 - 无机杂化物而得到了α- ZnS,ZnS的相变温度随粉体粒径的减小而减小[4],当 ZnS为2.8nm 时由立方相转变为六方相的相变温度为 400 ℃,远远小于 1020 ℃,而当颗粒由24nm 减小到约 3nm 时,晶胞发生畸变,晶胞体积减小2.3 %,而由纳米颗粒组成的微米ZnS 中空球在500 ℃却没有发生相变。

3、ZnS的性质与应用

ZnS具有多种优异的性能 ,在多个领域被广泛应用。

3.1 化工

ZnS 在化工生产中主要应用于油漆和塑料中 , ZnS的生产 ,首先有记是在 1783 年的法国 ,由于其白色不透明性及不溶于水、有机溶剂、弱酸、弱碱而在油漆中成为重要的颜料。ZnS现在美国已成为除 TiO2 外的次重要颜料 ,但在欧洲工业界继续享有重要地位。作为块体材料的β- ZnS 的熔点为1650 ℃,纯度为98 %的商品级ZnS的相对密度为4.0～4.1 ,莫氏硬度 3.0 ,平均粒径为 0.35μm ,折光系数 2.37 ,由于其高的折光系数和耐磨性 , ZnS 颜料在器材、蜡纸、金属板上涂上很薄的一层就具有比较高的遮盖力。ZnS易分散 ,不易团聚 ,为中性的白色 ,且具有良好的光学性质 ,常作为热固塑料、热塑塑料、强化纤维玻璃、阻燃剂、人造橡胶以及分散剂的组分。

3.2 光电

立方 ZnS 在可见光范围有高的折射率(n488 =2.43 ,n589 =2.36) ,对该波段的光没有吸收。ZnS是一种宽带隙半导体 ,体相材料[6]的带隙为 3. 75eV , 3nm 的 ZnS颗粒的带隙为 4. 13eV , 发生明显的蓝移 ,是一种有潜力的光子材料。1994 年 ,Bhargava R N 首次报道了在半导体纳米微晶材料 ZnS中掺入一定量的 Mn2+ 得到掺杂的纳米微晶材料 ZnS∶Mn2+,通过掺杂 ,改变了发光体中电子跃迁路径从而降低了非辐射电子损失。发光测试表明其量子效率大幅度提高 ,衰减时间比体材料缩短了 5 个数量级 ,使 ZnS∶Mn 2+发光体具备了快响应、低阈值的光学性质。通过其它金属离子 M (过渡金属